JP4596471B2 - 高周波発振型近接センサ - Google Patents

Description

本発明は、高周波発振駆動したコイルのＱの変化から該コイルへの被検出体の近接を検出する高周波発振型近接センサに関する。

高周波発振型近接センサは、コアに巻装したコイルを備え、上記コイルを高周波発振駆動して磁界を発生させると共に、該コイルへの被検出体（金属）の近接に伴う前記コイルのＱの変化から前記被検出体の近接を検出するように構成される。ちなみに上記コアに巻装されたコイルは、該コアと共に金属製の筒状ケースの先端部に装着されてセンサヘッドを構成し、上記ケースの先端側をセンサ面としてその前方を検出エリアとした構造を有する。

またこの種の高周波発振型近接センサにおいては、その検出距離を延ばすべく、例えば筒状体の一端にフランジを形成した磁束誘導部材を前記コアとケースとの間に嵌め込み、これによって前記コイルから径方向に拡がる磁束をセンサ面の前方に収束させることが提唱されている（例えば特許文献１を参照）。また渦電流損の小さい非磁性の導電性材料にてセンサヘッドの周囲を囲み、これによってケース等の周囲金属の影響を抑えて前記コイルのＱを高めることも提唱されている（例えば特許文献２を参照）。
特開２００４−１１９３７０号公報 特開２００４−３２５１２２号公報

ところで高周波発振型近接センサにおいては、コアとコイルとからなるセンサヘッドの前面（センサ面）をＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）やフッ素樹脂等の非磁性材からなるキャップにて覆い、これによってセンサヘッドを水や油から保護し、更には衝撃等から保護するようにしている。しかしながら上述したキャップの存在は、その厚みの分だけ実質的にセンサの検出距離を短くしていると言える。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、センサヘッドを保護しながらその検出距離を伸ばすことのできる、換言すれば検出感度を高めることのできる簡易な構成の高周波発振型近接センサを提供することにある。

上述した目的を達成するべく本発明に係る高周波発振型近接センサは、コアおよびこのコアに巻装したコイルを備えたセンサヘッドと、このセンサヘッドを先端に装着して該センサヘッドの周囲を覆う筒状の金属ケースとを具備し、高周波発振駆動した上記コイルのＱの変化から前記センサ部への被検出体の近接を検出するものであって、
特に前記ケースの先端部の少なくとも前記コイルの前面に、磁性粉体を混練したプラスチック製のカバーを設けたことを特徴としている。

好ましくは前記カバーは、前記コイルとコアとがなすセンサ面の全域を覆って、またはセンサ面の周辺部を覆って、或いはセンサ面の周辺部と中心部とを覆って設けられる。更に好ましくは前記カバーは、前記コイルとコアとがなすセンサ面を覆う板状の主体部と、この主体部の縁部に設けられて前記コアの周囲を囲む筒部とを備えたキャップ形状のものとして実現される。ちなみに上記キャップ形状のカバーは、前記センサ部を覆って前記筒状のケースの先端部を保護するキャップとしての役割を兼ね備えたものとして構成される。

尚、前記コアは、一面に円環状の溝を形成した円筒ポッド形状をなし、リング状に巻回したコイルを上記溝に収納して当該コイルの収納面側をセンサ面としたものからなる。また前記カバーをなす磁性粉体を混練したプラスチック材としては、比透磁率を前記磁性粉体自体が有する比透磁率よりも低くすると共に、体積抵抗率を高くした軟磁性特性を有するものが用いられる。具体的には前記カバーは、パーマロイ、フェライト、および金属磁性材の少なくとも１種からなる磁性粉体を溶融樹脂材に混練した後に固化させて、その比透磁率を２０程度に設定したプラスチック製のものとして実現される。

上述した構成の高周波発振型近接センサによれば、ケース先端部の少なくとも前記コイルの前面に、磁性粉体を混練したプラスチック製のカバーを設けることにより、後述するようにコイルのＱ比を低減することができる。具体的には、コイルの前面を剥き出しにした状態でのＱ比が９２％である場合、センサ面の全域を覆って上述したカバーを設けることでそのＱ比を９０％に低減することができる。ちなみに上記Ｑ比は、センサの近傍に被検出体が存在しないときのコイルのＱの値Ｑ_ＯＦＦと、被検出体がセンサに近接したときのコイルのＱの値Ｑ_ＯＮとの比（＝Ｑ_ＯＮ／Ｑ_ＯＦＦ）として定義される。従ってＱ比を低減し得ることは、センサの検出感度を高め、その検出距離を伸ばし得ることを意味する。

特にコイルの前面に設けるカバーとして、樹脂に磁性粉体を混練した、いわゆるプラマグと称されるプラスチック・マグネット、例えばその比透磁率を２０程度と低くし、且つその体積抵抗率を高くした軟磁性特性を有するプラマグ（プラスチック・マグネット）を用いる。尚、一般にセンサ面を磁性体により覆うと、その磁性によりコイルが発生する磁束が遮蔽され、センサとしての機能が損なわれると考えられる。しかし上述した軟磁性特性を有し、体積抵抗率の高いプラマグ製のカバーを設けてもコイルが発生する磁束が遮蔽されることがなく、センサとして十分に機能することが確認できた。むしろカバーを設けない場合（センサヘッドを露出させた状態）に比較して、上述したカバーを設けた場合には、カバーにおいて渦電流損が生じることがないこと、またセンサが発生する磁束を収束させて金属ケースの影響を軽減し得ることによりセンサ面前方の磁界強度を相対的に高め、これによってコイルのＱ比を低減し得ることが確認できた。

またカバーをキャップ形状のものとして実現すれば、従来一般的に用いられている非磁性材製のキャップに代えてセンサヘッドに装着することができるので、当該カバーをセンサヘッドを覆って筒状のケースの先端部を保護するキャップとしての役割をも持たせることができる。従って既存の高周波発振型近接センサの基本構造を変更することなく、キャップ形状のプラマグ製のカバーを採用することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る高周波発振型近接センサについて説明する。
図１はこの実施形態に係る高周波発振型近接センサの要部概略構成を示す図で、１は一面に円環状の溝を形成した円筒ポッド形状をなすフェライト製のコアである。リング状に巻回されたコイル２は上記コア１の溝部に嵌め込まれて、コイル装着面をセンサ面とするセンサヘッド３が構成されている。このセンサヘッド３は、上記センサ面を外側に向けて筒状の金属ケース４の先端部に嵌め込まれ、その周囲を金属ケース４にて覆った状態で装着される。この金属ケース４の内部には上記センサヘッド３の図示しない駆動回路が組み込まれる。

また一般的には、上記金属ケース４の先端部には合成樹脂製の保護キャップが装着されて液密にシールされるが、この実施形態に係る高周波発振型近接センサにおいては、磁性粉体を混練したプラスチック製のカバー５が設けられている。ちなみに上記カバー５を形成する磁性粉体を混練したプラスチックは、パーマロイ、フェライト、および金属磁性材の少なくとも１種からなる磁性粉体を溶融樹脂材に混練した後に固化させて、その比透磁率を２０程度に設定したものであって、プラスチック・マグネット（いわゆるプラマグ）と称される軟磁性材からなる。

尚、上記カバー５については、図１に示すようにセンサヘッド３のコア１とコイル２とがなすセンサ面の全域を覆う板状の主体部５ａと、この主体部５ａの縁部に設けられて前記コア１の周囲を囲む円筒状の筒部５ｂとを備えたキャップ形状のものとし、上記筒部５ｂをコア１の周囲と金属ケース４の内壁面との間に嵌め込んで該金属ケース４の先端部全体を液密にシールして装着することが好ましい。しかし図２に示すようにセンサヘッド３のコア１とコイル２とがなすセンサ面の全域を覆う板状のカバー５とし、これを上記センサ面に装着するようにしても良い。或いは図３に示すように金属ケース４の先端部に露出するコイル２の前面だけを覆うようにカバー５を設けることも可能である。但し、この場合、別途、前記金属ケース４の先端部を液密にシールする為の処理を施すことが必要である。

ここで上述した如くセンサヘッド３のセンサ面を覆って、特にコイル２の開放された前面を覆って設けられる前述したプラマグ製のカバー５について説明すると、このカバー５の形成材料（プラマグ）は、例えば比透磁率が５〜５０、好ましくは２０程度で、その体積抵抗率が１×１０^２Ω・ｃｍ以上、好ましくは１×１０^８Ω・ｃｍ程度と高い性質を有する、いわゆるソフト・フェライト等と称されるものである。

ちなみにセンサヘッド３のセンサ面の、特にコイル２の前面に前述したプラマグ製のカバー５を設けた場合、一般的にはプラマグの磁性によりセンサ面前方での磁界の形成が妨げられると予想される。しかし本発明者らは上記予想に反し、逆に高周波発振駆動されるコイル２のＱ比を改善し、検出距離を伸ばし得ることを見出した。そこでコイル２のＱ比を改善し得る条件について種々のシミュレーションを行い、またカバー５の形成材料を代えて種々の実験を行ったところ、次のことが明らかとなった。

図４は前述したプラスチック・マグネット（いわゆるプラマグ）の比透磁率と体積抵抗率（導電率）を代えたカバー５を設けたときのＱ比の変化について調べたシミュレーション結果を示している。ちなみにＱ比は、センサ面の近傍に被検出体（金属）が存在せず、センサがオフ状態にあるときのコイル２のＱの値Ｑ_ＯＦＦと、例えば被検出体がセンサ面に７ｍｍまで近接し、これによってセンサがオンとなったときのコイル２のＱの値Ｑ_ＯＮとの比（＝Ｑ_ＯＮ／Ｑ_ＯＦＦ）として定義される。従ってＱ比が低い程、その検出感度が高いと言え、例えばＱ比が９２％確保し得れば近接センサとしての機能を十分に果たし得るならば検出感度が高くなった分、その検出距離を長くし得ると言える。

そして図４に示すシミュレーション結果からは、コイル２のＱ比を９２％以下に抑え得る特性領域は、カバー５の非透磁率が略５０以下で、且つ体積抵抗率が略１×１０Ω・ｃｍ以上であれば良く、Ｑ比を最も低減し得る条件は、専ら非透磁率が略２０程度で、且つ体積抵抗率が略１×１０^２Ω・ｃｍ以上であれば良いことが明らかとなった。特にカバー５の比透磁率を２０程度としても体積抵抗率が小さい場合にはＱ比の改善効果が見られず、これに比較して体積抵抗率が大きくなり、特に体積抵抗率が略１×１０^２Ω・ｃｍ以上と高くなった場合にＱ比の改善効果が高まることが示される。尚、体積抵抗率が無限大（導電率が０）で比透磁率が１なる材料条件は、カバーとして従来一般的なプラスチック製のものを用いること、或いはセンサ面を剥き出しのまま用いることを意味する。また比透磁率が１００なる材料条件は、カバーとして強磁性体を用いることに相当する。

また図５および図６は、センサ面にカバー５を設けたとき（カバー有り）、およびセンサ面を剥き出しの状態にしたとき（カバー無し）のそれぞれについて、コイル２の駆動周波数ｆを変えながらセンサ面の近傍に被検出体（金属）が存在しない状態（センサがオフ状態）、および被検出体がセンサ面に７ｍｍまで近接した状態（センサがオン状態）でのコイル２のインダクタンスＬと抵抗成分Ｒとをそれぞれ計測し、これらの計測結果から駆動周波数ｆの変化に対する前記コイル２のインピーダンスＺの変化とＱ比の変化をそれぞれ求めたものである。

この実験結果からセンサ面にカバー５を設けた場合、図５に示されるようにコイル２のインピーダンスＺが高くなるが、図６に示されるようにコイル２のＱ比を低くなることが確認できた。尚、実験に用いたコイル２は、直径０.０５ｍｍ／１５本縒りのポリウレタンコートの導線を６４ターンに亘って巻回したものである。またコイル２のＱ値は［Ｑ＝ωＬ／Ｒ］として計算により求めた。

また比透磁率が１９.５のカバー５の厚みを０.３〜１.０ｍｍの範囲で変えてＱ比の変化を調べたところ、図７に示すようなシミュレーション結果が得られた。このシミュレーション結果から、カバー５の導電率ｓを２００程度とした場合、その厚みに殆ど関係なくＱ比を低減することができ、また導電率ｓを１０程度とした場合には厚みを厚くするに従ってＱ比を低減し得ることが確認できた。

以上の検証結果から、樹脂に磁性粉体を混練した比透磁率が低く、且つ体積抵抗率の高いプラスチック製のカバー５にてセンサ面を覆った構成の近接センサによれば、コイル２が発生した磁界がカバー５によって完全には遮蔽されることがない。またカバー５に渦電流が生じることもないので、センサヘッド３の周辺の金属（金属ケース４）からの影響を軽減し、その分、コイル２が発生した磁界をセンサ面の前方に収束することが可能となる。この結果、実質的にコイル２のＱ比を低減することができ、その検出感度の向上させ、ひいてはその検出距離を伸ばすことができる。特に数１０ｋＨz〜数１００ｋＨzで駆動することの多い近接スイッチにおいて、従来一般的に用いられている樹脂製キャップに代えて前述したプラマグ製のカバー５を装着するようにすれば、これだけでそのＱ比を低減することができるので、その改善効果は非常に大きい。しかもカバー５をキャップ形状化すれば、従来のキャップとそのまま置き換えて金属ケース４の先端部のシール部材としても用いることができるので、この点でもその実用的利点が非常に高いと言える。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。カバー５を形成するプラスチック・マグネット（いわゆるプラマグ）の形成材料については、前述したパーマロイ、フェライト、および金属磁性材（Ｎi,Ｍn,Ｚn等）の粉体を適宜用いれば良く、要求される磁気特性・電気特性に応じてその混練量（混練比率）や成形密度等を設定すれば良い。またカバー５の最適な比透磁率や体積抵抗率については、カバー５の厚みによっても変化すると考えられるので、近接センサに要求される仕様を満たし得る最適なものを見出し、これを用いるようにすれば十分である。

また図８に示すようにセンサヘッド３のコア１とコイル２とがなすセンサ面の周辺部を覆う板状のカバー５とし、これを上記センサ面に装着するようにしても良い。或いは図９に示すようにセンサ面の周辺部とその中心部とを覆うようにカバー５を設けることも可能である。但し、この場合にも、別途、前記金属ケース４の先端部を液密にシールする為の処理を施すことが必要である。要は従来一般にカバーとして用いるに不適切であると考えられていた磁性体を、本発明においては磁性粉体を混練したプラスチックからなる軟磁性体（例えばソフト・フェライト）とすることで、コイルのＱ比を高め得るカバーとして機能させるようにしたものであり、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明の一実施形態に係る高周波発振型近接センサの要部概略構成を示す図。 本発明の別の実施形態を示す図。 本発明の更に別の実施形態を示す図。 カバーの比透磁率および体積抵抗率に対するコイルのＱ比の分布を示すシミュレーション結果を示す図。 カバーの有り無しによるコイルの駆動周波数に対するインピーダンスの変化を対比して示す図。 カバーの有り無しによるコイルの駆動周波数に対するＱ比の変化を対比して示す図。 カバーの厚みを変えたときのＱ比の変化について調べたシミュレーション結果を示す図。 本発明の変形例を示す図。 本発明の更に別の変形例を示す図。

符号の説明

１ コア
２ コイル
３ センサヘッド
４ 金属ケース
５ カバー

Claims (7)

1. コアおよびこのコアに巻装したコイルを備えたセンサヘッドと、このセンサヘッドを先端に装着して該センサヘッドの周囲を覆う筒状の金属ケースとを具備し、高周波発振駆動した上記コイルのＱの変化から前記センサ部への被検出体の近接を検出する高周波発振型近接センサであって、
   前記ケースの先端部の少なくとも前記コイルの前面に、磁性粉体を混練したプラスチック製のカバーを設けたことを特徴とする高周波発振型近接センサ。
2. 前記カバーは、前記コイルとコアとがなすセンサ面の全域を覆って設けられるものである請求項１に記載の高周波発振型近接センサ。
3. 前記カバーは、前記コイルとコアとがなすセンサ面の周辺部を覆って設けられるものである請求項１に記載の高周波発振型近接センサ。
4. 前記カバーは、前記コイルとコアとがなすセンサ面の周辺部と中心部とを覆って設けられるものである請求項１に記載の高周波発振型近接センサ。
5. 前記カバーは、前記コイルとコアとがなすセンサ面を覆う板状の主体部と、この主体部の縁部に設けられて前記コアの周囲を囲む筒部とを備えたキャップ形状のものからなる請求項１に記載の高周波発振型近接センサ。
6. 前記カバーをなす磁性粉体を混練したプラスチック材は、比透磁率を前記磁性粉体自体が有する比透磁率よりも低くすると共に、体積抵抗率を高くした軟磁性特性を有するものである請求項１に記載の高周波発振型近接センサ。
7. 前記カバーは、パーマロイ、フェライト、および金属磁性材の少なくとも１種からなる磁性粉体を溶融樹脂材に混練した後に固化させて、その比透磁率を２０程度に設定したプラスチック製のものである請求項１に記載の高周波発振型近接センサ。

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